JPH05130517A

JPH05130517A - 固体撮像素子

Info

Publication number: JPH05130517A
Application number: JP3291326A
Authority: JP
Inventors: Masao Uehara; 正男上原
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1991-11-07
Filing date: 1991-11-07
Publication date: 1993-05-25

Abstract

(57)【要約】【目的】スミア現象による偽信号の発生を抑制する。【構成】光電変換素子と、この光電変換素子にて発生
した電荷を転送させる電荷転送素子とが半導体基板主表
面に形成された固体撮像素子において、前記電荷転送素
子下の半導体層にこの個所で発生した電荷を半導体基板
の裏面側に掃き出す手段を設けた。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、固体撮像素子に係り、
特に、その電荷転送素子下の半導体層に改良を施した固
体撮像素子に関する。

【０００２】

【従来の技術】固体撮像素子は、半導体基板の主表面に
たとえばマトリックス状に複数の光電変換素子と、同列
における各光電変換素子を一グループとし各グループ毎
の光電変換素子からの電荷をそれぞれ電荷検出器へ転送
させる電荷転送素子が形成されている。

【０００３】そして、このように光電変換素子および電
荷転送素子が形成された半導体基板の主表面には、光電
変換素子形成領域を露呈させ電荷転送素子を覆う遮光膜
が形成されたものとなっている。

【０００４】このような遮光膜が形成される理由は、電
荷転送素子形成領域に光照射がなされると、いわゆるス
ミア現象による電荷が発生し、この電荷が該電荷転送素
子にて転送されている電荷に対して偽信号となってしま
うためである。

【０００５】なお、このような固体撮像装置としては、
たとえば、文献「映像情報；５月号、昭和６１年５月１
日発行；産業開発機構ＫＫ、映像情報編集部」において
詳述されている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このよ
うに構成される固体撮像素子は、前記遮光膜によって電
荷転送素子下の半導体層に照射される光を完全にシャッ
トアウトできるものではなく、該遮光膜の開口部、すな
わち光電変換素子形成領域から斜め方向に照射される光
が電荷転送素子下の半導体層にまで至るようになる。

【０００７】このようになった場合、電荷転送素子下の
半導体層内にスミア現象による電荷が発生し、この電荷
は該電荷転送素子内に吸引されるようになってしまう。

【０００８】したがって、前記遮光膜の存在のみではス
ミア現象による偽信号の発生を完全に防止できず、この
面での解決策が望まれていた。

【０００９】それ故、本発明は、このような事情に基づ
いてなされたものであり、スミア現象による偽信号の発
生を極めて効果的に抑制できる固体視撮像素子を提供す
るものである。

【００１０】

【課題を解決するための手段】このような目的を達成す
るために、本発明は、基本的には、光電変換素子と、こ
の光電変換素子にて発生した電荷を転送させる電荷転送
素子とが半導体基板主表面に形成された固体撮像素子に
おいて、前記電荷転送素子下の半導体層にこの個所で発
生した電荷を半導体基板の裏面側に掃き出す手段を設け
たことを特徴とするものである。

【００１１】ここで、電荷転送素子下の半導体層にこの
個所で発生した電荷を半導体基板の裏面側に掃き出す手
段としては、まず、電荷転送素子下の半導体ウェル層の
層厚が光電変換素子下の半導体ウェル層の層厚よりも浅
く形成されているとともに、半導体基板の裏面に陽電圧
が印加されているようにしたものが挙げられる。

【００１２】また、他に、電荷転送素子下の半導体ウェ
ル層の不純物濃度が光電変換素子下の半導体ウェル層の
不純物濃度よりも薄く形成されているとともに、半導体
基板の裏面に陽電圧が印加されているようにしたものが
挙げられる。

【００１３】

【作用】このように構成した固体撮像素子において、電
荷転送素子下に発生した電荷は、光電変換素子、電荷転
送素子、および半導体基板のうち、最も電界の強い側に
吸収されるようになる。

【００１４】このため、特に、電荷転送素子下の半導体
ウェル層の層厚を光電変換素子下の半導体ウェル層の層
厚よりも浅く形成するか、あるいは電荷転送素子下の半
導体ウェル層の不純物濃度を光電変換素子下の半導体ウ
ェル層の不純物濃度よりも薄く形成し、かつ半導体基板
の裏面に陽電圧が印加されているように構成することに
より、半導体基板側に最も強い電界を発生させることが
できるようになる。

【００１５】したがって、電荷転送素子下に発生した電
荷は、半導体基板側に吸収でき、スミア現象による偽信
号の発生を極めて効果的に抑制できるようになる。

【００１６】

【実施例】図２は、本発明による固体撮像素子の一実施
例を示す概略全体構成図である。

【００１７】同図は、一チップの半導体基板の主表面に
図示のような配列で各素子が形成されたものとなってい
る。同図において、前記半導体基板の主表面の光像投影
領域に複数のフォトダイオード１がマトリックス状に配
列されて形成されている。

【００１８】この図では説明の便宜上３×４個のフォト
ダイオードしか記載されていないが、実際には、約２０
万から約４０万個形成されたものとなっている。

【００１９】ここで、フォトダイオード１は、光照射に
よりその光の強度に応じて電荷を発生する光電変換素子
である。

【００２０】また、列方向（図中縦方向）に配列された
フォトダイオード１の群毎に該列方向に沿って形成され
た垂直シフトレジスタ２があり、これら各垂直シフトレ
ジスタ２はＣＣＤ素子からなる電荷転送素子によって構
成されている。

【００２１】これら垂直シフトレジスタ２は、それぞれ
列方向に配列された各フォトダイオード１にて発生した
電荷を読出すとともに、この電荷を列方向に沿って前記
光像投影領域外に転送させるものとなっている。

【００２２】なお、各フォトダイオード１から垂直シフ
トレジスタ２への電荷読出しは、図示しない電荷読出し
ゲートによりなされるようになっている。

【００２３】さらに、各垂直レジスタ２からそれぞれ転
送されてきた電荷は、水平シフトレジスタ４に出力さ
れ、この水平シフトレジスタ４によって水平方向に転送
されるようになっている。この水平シフトレジスタ４
は、前記各垂直シフトレジスタ２と同様にＣＣＤ素子に
より構成されている。

【００２４】水平シフトレジスタ４からの出力は、出力
回路５に入力され、この出力回路５において例えば電圧
に変換され、外部に取り出されるようになっている。

【００２５】そして、このように各素子が形成された半
導体基板の主表面には、各フォトダイオード１が形成さ
れている領域において開口が形成されることにより、各
フォトダイオード１のみを露呈させる遮光膜（図示せ
ず）が形成されている。

【００２６】図１は、図２のI−I線における断面を示す
構成図である。

【００２７】同図において、Ｎ型半導体基板２１があ
り、このＮ型半導体基板２１の表面には濃度の低いＰ型
半導体層からなるＰ型ウェル層２２が形成されている。
そして、このＰ型ウェル層２２の表面には、Ｎ型拡散層
２３が形成され、前記Ｐ型ウェル層２２とともにフォト
ダイオード１を構成している。

【００２８】また、このフォトダイオード１を構成する
Ｎ型拡散層２３の表面には、濃度の高いＰ型拡散層２４
が形成されている。このＰ型拡散層２４は、いわゆる暗
電流を防止するための拡散層となっている。

【００２９】さらに、フォトダイオード１を構成するＮ
型拡散層２３に近接して、前記Ｐ型ウェル層２２の表面
には、垂直シフトレジスタ２の電荷転送路となるＮ型拡
散層２５が形成されている。なお、このＮ型拡散層２５
は、いわゆるスミア防止のため、前記Ｐ型ウェル層２２
に形成された濃度の高いＰ型ウェル層２６の表面に形成
されたものとなっている。

【００３０】そして、このように種々の拡散層が形成さ
れた主表面には、たとえばシリコン酸化膜からなる絶縁
膜２７を介して、一層目の転送電極であるゲート電極３
０Ｂが形成されている。

【００３１】そして、前記ゲート電極３０Ｂと一部重複
して二層目の転送電極であるゲート電極３０Ａが形成さ
れている。このゲート電極３０Ａはフォトダイオード２
０から読みだした電荷を垂直シフトレジスタ２の方向へ
転送するための電荷読みだし電極を兼ねている。

【００３２】さらに、ゲート電極３０Ａおよびフォトダ
イオード１の領域を覆って酸化膜からなる絶縁膜２７が
形成され、この絶縁膜２７の上面には、前記フォトダイ
オード１の形成領域を除いて（したがって開口が形成さ
れて）たとえばアルミニュウムからなる遮光膜２８が形
成されている。

【００３３】そして、この実施例においては、特に、前
記Ｐ型ウェル層２２（あるいはＮ型半導体基板２１）に
工夫がなされている。

【００３４】すなわち、垂直シフトレジスタ２（および
水平シフトレジスタ４）の形成領域直下に該当するＮ型
半導体基板２１の主表面はフォトダイオード１の形成領
域である他の領域に対して凸状部２１Ａが形成され、こ
の凸状部２１Ａが形成されたＮ型半導体基板２１の面に
前記凸状部２１Ａを含んでＰ型ウェル層２２が形成さ
れ、その主表面は平坦化されたものとなっている。

【００３５】このため、該Ｐ型ウェル層２２に形成され
る垂直シフトレジスタ２（および水平シフトレジスタ
４）下のＰ型ウェル層２２の深さはフォトダイオード１
下のそれと比べて浅く形成されるようになっている。

【００３６】そして、このような構成において、Ｎ型半
導体基板２１にはたとえば１０Ｖからなる陽電圧が印加
されるようになっている。

【００３７】このようにした場合、図３に示すように、
フォトダイオード１の形成領域側からの斜めの入射光が
垂直シフトレジスタ２（および水平シフトレジスタ４）
下ににまで及び、ここに発生した電荷ｅは、フォトダイ
オード１、垂直シフトレジスタ２（および水平シフトレ
ジスタ４）、およびＮ型半導体基板２１のうち、最も電
界が強くなっているＮ型半導体基板２１側に図中矢印方
向に示すように吸収されるようになる。

【００３８】したがって、垂直シフトレジスタ２（およ
び水平シフトレジスタ４）側に前記電荷が吸収されるこ
とはなくなる。

【００３９】なお、上述した実施例では、垂直シフトレ
ジスタ２（および水平シフトレジスタ４）下のＰ型ウェ
ル層２２の層厚をフォトダイオード１下のそれよりも浅
く形成することにより、垂直シフトレジスタ２（および
水平シフトレジスタ４）下のＰ型ウェル層２２にこの個
所で発生した電荷をＮ型半導体基板２１の裏面側に掃き
出す手段を設けたものである。しかし、垂直シフトレジ
スタ２（および水平シフトレジスタ４）下のＰ型ウェル
層２２の不純物濃度がフォトダイオード１下のそれより
も薄く形成することにより該手段を設けても同様の効果
を奏することができるようになる。

【００４０】図４（ａ）は、図２における水平シフトレ
ジスタ４および出力回路５を示した説明図である。電荷
転送路であるＮ型拡散層２５に沿って一層目のゲート電
極３０Ｂと二層目のゲート電極３０Ａとが交互に配置さ
れている。

【００４１】ここで、図中左側からゲート電極３０Ｂ、
３０Ａが共通接続されてφ₁のパルスが印加されるよう
になっている。また、次のゲート電極３０Ｂ、３０Ａが
共通接続されてφ₂のパルスが印加されるようになって
いる。そして、次のゲート電極３０Ｂ、３０Ａが共通接
続されてφ₁のパルスが印加されるようになっている。
さらに、次のゲート電極３０Ｂ、３０Ａが共通接続され
てφ₂のパルスが印加されるようになっている。

【００４２】このような状態で、前記パルスφ₁が５Ｖ
で、パルスφ₂が０Ｖの際に図４（ｂ）の点線に示すよ
うなポテンシャル分布が前記Ｎ型拡散層２５内に形成さ
れ、また、前記パルスφ₁が０Ｖで、パルスφ₂が５Ｖと
なった際に図４（ｂ）の実線に示すようなポテンシャル
分布に変化するようになる。このような状態を順次交互
に繰り返すことにより、Ｎ型拡散層２５内の電荷ｅが移
動（図中では左から右側へ）することになる。

【００４３】なお、このことは前記垂直シフトレジスタ
２においても同様の構成となっているものである。

【００４４】そして、このように移動してきた電荷ｅ
は、出力回路５内のコンデンサＣにより電圧Ｖ（＝Ｑ／
Ｃ）に変換され、ＭＯＳＦＥＴ４０のゲート電極に印加
されるようになる。そして、このＭＯＳＦＥＴ４０を介
して出力電圧Ｖｏｕｔが出力されるようになっている。

【００４５】上述した実施例のように構成した固体撮像
素子において、電荷転送素子（垂直シフトレジスタ２、
水平シフトレジスタ４）下に発生した電荷は、光電変換
素子（フォトダイオード１）、電荷転送素子、およびＮ
型半導体基板２１のうち、最も電界の強い側に吸収され
るようになる。

【００４６】このため、特に、垂直シフトレジスタ２
（および水平シフトレジスタ４）下のｐ型ウェル層２２
の層厚をフォトダイオード１下のＰ型ウェル層２２の層
厚よりも浅く形成するか、あるいは垂直シフトレジスタ
２（および水平シフトレジスタ４）下のＰ型ウェル層２
２の不純物濃度をフォトダイオード１下のＰ型ウェル層
２２の不純物濃度よりも薄く形成し、かつＮ型半導体基
板２１の裏面に陽電圧が印加されているように構成する
ことにより、Ｎ型半導体基板２１側に最も強い電界を発
生させることができるようになる。

【００４７】したがって、垂直シフトレジスタ２（およ
び水平シフトレジスタ４）下に発生した電荷は、Ｎ型半
導体基板２１側に吸収でき、スミア現象による偽信号の
発生を極めて効果的に抑制できるようになる。

【００４８】上述した実施例では、いわゆるエリアセン
サと称される固体撮像素子について説明したものである
が、たとえば光電変換素子をライン上に並設させて構成
したいわゆるラインセンサにおいても適用できることは
いうまでもない。

【００４９】

【発明の効果】以上説明したことから明らかなように、
本発明による固体撮像素子によれば、スミア現象による
偽信号の発生を極めて効果的に抑制できるようになる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による固体撮像素子の一実施例を示す断
面図であり、図２のI−I線における断面図である。

【図２】本発明による固体撮像素子の一実施例を示す概
略全体構成図である。

【図３】本発明による固体撮像素子の効果を示す説明図
である。

【図４】図２に示す水平シフトレジスタおよび出力回路
の動作を説明するための説明図である。

【符号の説明】

１フォトダイオード２垂直シフトレジスタ２１Ｎ型半導体基板２２Ｐ型ウェル層

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】光電変換素子と、この光電変換素子にて
発生した電荷を転送させる電荷転送素子とが半導体基板
主表面に形成された固体撮像素子において、前記電荷転
送素子下の半導体層にこの個所で発生した電荷を半導体
基板の裏面側に掃き出す手段を設けたことを特徴とする
固体撮像素子。